石墨材料具有良好的耐热性、导电性、导热性、化学稳定性、可塑性等特点,被广泛应用于冶金、化工、机械等领域。以石油焦为原料运用传统办法生产散装石墨需经过焙烧、石墨化两个生产工序,工艺耗时长、耗能高、成本高,无法满足市场需求。鉴于散装石墨产量供不应求,本课题组与辽阳炭素炉窑设计研究所合作,在借鉴传统电煅炉和矿热炉的基础上,通过改变供电方式、走料方式及炉型结构等方式,提出一种连续式石墨化炉的新炉型。本石墨化炉不但简化了生产工序,将焙烧和石墨化合二为一,还具有冷却更安全、可实现连续排料、电耗低至1500kW·h/t等优点。为验证新炉型的可行性和安全性,本文主要研究内容如下:(1)本文结合传热学理论和石墨化炉炉体散热特性,采用VC++语言编制通用GUI(Graphical User Interface)程序,对炉体与环境界面换热系数进行编程与应用,实现炉衬组合的计算机优化模拟。结果表明:炉体以辐射换热为主;炉体表面温度主要影响辐射换热系数,200℃时辐射换热系数是对流换热系数的2倍;炉体的保温效果与炉体长度无关;炉衬材料炭黑和轻质耐火粘土砖的厚度取0.35m为最佳,并在此基础上确定了石墨化炉的结构参数。(2)本文采用连续介质假设,在Euler场中建立粘性流模型,基于Fluent的二次开发功能,在流体力学方程组的基础上通过编译UDS(Use-Defined Scalars)、UDF(Use-Defined Function)、UDM(Use-Defined Memory)等方式建立动态电热求耦合求解的计算模型,解决了前人无法模拟流动物料电热耦合的问题,本计算模型可为以后学者解决类似问题提供理论参考。并对煅后石油焦颗粒在二维石墨化炉冷态模型内的下降行为进行研究,实验测得了 3-10mm煅后焦颗粒的动力粘度为0.1Pa-s。应用计算模型的模拟结果与文献中的实验数据符合较好,进一步验证了本文所建立计算模型的准确性。(3)应用本文所建立的计算模型,实现了连续式石墨化炉流动物料加热的电热耦合模拟,得到炉内电场、温度场、流场的分布规律。结论如下:数值解的独立性表明差分格式对模拟结果影响较小,时间步长100s、网格单元平均尺寸0.04m为最佳;采用大截面的电极可以得到更合理的电势分布;电极柱上的电场强度很小,仅为0.009V/m以下;炉中心最高温度可达2740K,完全满足石墨化所需温度;炉衬温度分布合理,满足炉衬材料的使用温度;电场强度和电流的最大值都出现在电极附近,炉内电场强度最大值为94.8V/m,电流最大值为10400A;流场分布合理;电场-温度场-流场的模拟结果能满足连续石墨化生产的基本要求。(4)研究电压大小和排料速率对动态电热耦合场的影响规律。研究表明:排料速率越小,升高电压对温度场的影响就越明显;石墨化炉为达到石墨化温度,排料速率不应超过0.05mm/s,且不能一味地通过升高电压使中心温度达到石墨化温度;排料速率每降低0.005mm/s,电炉温度约可升高200-300K以上;若计算工况下电炉的大部分位置处的温度都高于2473K,则炉内电流密度差别很小;电流分布趋势与温度的分布是相同的,电流和温度同时在电极附近达到最高值;排料速率0.03mm/s、电压62-64V和排料速率0.035mm/s、电压67V的生产工况是比较合理的,对应石墨化炉的日产量分别为24709kg/d 和 28827kg/d。